Разработка системы автоматической стабилизации расхода кислородно-воздушного дутья в доменной печи

Содержание

1. Введение.                                                                    

          Целью данной курсовой работы является разработка системы автоматической стабилизации расхода кислородно-воздушного дутья в доменной печи.

До́менная печь, до́мна — большая металлургическая, вертикально расположенная плавильная  шахтного типа для выплавки чугуна из железорудного сырья. Важнейшей особенностью доменного процесса является его непрерывность в течение всей кампании печи (от строительства печи до её капитального ремонта) и противоток поднимающихся вверх фурменных газов с непрерывно опускающимся и наращиваемым сверху новыми порциями шихты столбом материалов.

Основной технологической задачей доменной плавки является восстановление железных руд и получение чугуна заданного состава и температуры. Доменная печь относится к классу шахтных печей, в которых осуществляется слоевой режим работы с противотоком обрабатываемого материала, заполняющего весь рабочий объем печи, и горячих газов, фильтрующихся через сравнительно плотные слои этих материалов.

         Характерными особенностями слоевого режима работы печи являются большая поверхность материалов, подвергающихся тепловой и химической обработке, и в то же время неопределенность активной части поверхности, участвующей в процессах тепло- и массообмена. Причиной неопределенности является движение материалов, которые в ходе обработки меняют размеры и формы кусков и претерпевают изменения химического состава и агрегатного состояния, что изменяет условия фильтрации горновых газов через различные участки сечения печи. Другой особенностью слоевого режима является то, что все виды теплопередачи (радиация, конвекция и теплопроводность) тесно переплетены и практически неразделимы. Это затрудняет теоретические расчеты процессов теплообмена и экспериментальное определение теплотехнических характеристик доменных печей.

         Непрерывный рост мощности доменных печей и внедрение новых методов интенсификации технологического процесса существенно повысили производительность доменного производства и увеличили потоки сырья, энергии и продуктов плавки, участвующих в производственном процессе. Современный доменный цех ежесуточно потребляет свыше 50 тыс. т различных материалов, 100 млн. м3 воздуха, примерно 2 млн. т воды и расходует более 20 тыс. кВтч электроэнергии. Значительно усложнилось управление доменным производством, возросло количество информации, которое необходимо освоить и использовать для управления процессом. Увеличилось также число управляющих воздействий и усложнился выбор управлений, наиболее рациональных для данных условий. Анализ поступающей информации и выбор оптимальных управляющих воздействий требуют высокой квалификации персонала, обслуживающего печь. В этих условиях возрастает необходимость внедрения систем автоматического контроля и управления.

Системы контроля и управления работой доменных печей постепенно усложнялись – от простейших систем стабилизации отдельных параметров до локальных систем управления отдельными режимами работы печи и, наконец, до комплексных систем управления всем доменным процессом.

Автоматический контроль и стабилизация некоторых параметров доменного процесса сыграли в свое время большую роль в деле повышения производительности и экономичности работы доменных печей. Внедрение локальных систем стабилизации расхода, температуры и влажности горячего дутья, давления колошникового газа, нагрева воздухонагревателей позволило повысить производительность доменных печей на 5–9% и получить экономию кокса 6–7%. Кроме того, локальные системы стабилизации облегчили труд металлургов и повысили общую культуру производства.

Внедрение локальных систем управления, таких, например, как системы автоматического управления шихтоподачей, распределения горячего дутья и природного газа по фурмам доменной печи, автоматический перевод и управление нагревом воздухонагревателей и т.д., дало дополнительный экономический эффект: производительность доменных печей увеличилась еще на 4–5%, а расход кокса снизился на 2–3%.

В настоящее время в Казахстане разрабатывается и внедряется комплексная система автоматического управления с применением УВМ. В состав комплексной системы входят подсистемы управления шихтовкой и шихтоподачей, управления тепловым и газодинамическим режимами и управления ходом печи. По предварительным расчетам, внедрение комплексной системы повысит производительность печей на 9–11% и снизит расход кокса на 12 – 14%. Несмотря на высокую стоимость комплексной системы управления, срок ее окупаемости менее двух лет.

Для нужд промышленности вырабатывается газообразный и жидкий кислород. Однако газообразный кислород применяется гораздо шире. Благодаря газообразному кислороду в металлургии стал возможен процесс кислородного дутья, когда воздух был полностью заменен кислородом. Из-за того, что значительная часть воздуха — это азот, нейтральный газ, при воздушном дутье были высоки потери тепла. Нагретый азот уходил, не принимая никакого участия в металлургическом процессе. При кислородной продувке снижается расход топлива, а качество металла становится значительно выше. Первые опыты по применению кислородного дутья при литье чугуна были проведены еще в 1930-х годах. Кислород повысил производительность доменной печи и снизил расходы кокса. В мартеновском производстве стали кислород сначала применили для того, чтобы топливо более интенсивно сгорало. Позже стали вдувать кислород непосредственно в жидкий металл, чтобы окислить примеси и сделать металл более чистым. В мартеновских печах кислородное дутье окончательно вытеснило воздушное. Применение кислородного дутья в электросталеплавильных печах впервые произошло в 1946 году. Преимущества кислорода перед воздухом были заметны сразу. Кислородное дутье повысило почти на треть производительность печей при почти таком же снижении электроэнергии. Особенно эффективной оказалась работа кислорода в производстве нержавеющей стали.

При литье чугуна в  вагранке кислородное дутье используется, чтобы нагреть расплавленный  чугун до очень высокой температуры. Это является важным моментом технологического процесса для производства высоколегированного металла, облагороженного присадками кремния и хрома. В ваграночной плавке с применением кислорода расход топлива снижается почти наполовину, почти настолько же снижается содержание вредной примеси — серы, почти вдвое увеличивается производительность и значительно повышается температура литья. Цветная металлургия применила свойства кислородного дутья немного позже. В цветном литье, как и в литье черных металлов, жидкий кислород  не применяется, зато активно применяется газообразный кислород. При получении меди, свинца и никеля применение кислорода вместо воздуха позволило ускорить выплавку этих металлов из руд, сократило почти на пятую часть расход топлива (кокса) и почти в три раза уменьшило потребление флюсов. Почти такое же сказочное действие оказал примененный вместо воздуха кислород при обжиге сульфатов цинка, увеличив на 70% производительность металлургического процесса.

1.Основная  часть.

1.1Возникновение доменной печи

Первые доменные печи появились в Европе в середине 14 века.

В России до 30-х гг. 17 в. единственным известным на территории страны способом получения железа из руд был одностадийный способ, основанный на прямом восстановлении металла из окислов и осуществлявшийся в печи, получившей название сыродутного (ручного) горна, называвшегося также домней (домницей).

Первоначально термин "домница" означал "кузницу", то есть помещение, где устанавливались сыродутные горны для получения железа. Однако сейчас под этим словом понимают плавильный горн, прототип современной доменной печи. Домницы XVI-XVII веков работали совершенно иначе, чем доменные печи. Они представляли собой шахтные печи высотой около 1 м с круглым сечением диаметром 500-600 мм, которые строились обычно за два-три дня. Производительность такого горна была до 0,1 т в сутки.

В ходе процесса получался  губчатый ком сварочного железа (точнее – низкоуглеродистого железного  сплава), смешанного со шлаками - железная крица. Такое железо называли сырым. Для превращения его в дельное крицу проковывали в особой железцовой кузнице.

Появление в России первых домен не уничтожило металлургии, основанной на одностадийном способе - домни  и домны длительное время сосуществовали.

Первая известная нам  попытка построить в России доменный завод относится к 1567 г., когда Иван IV "пожаловал английских гостей и позволил ставить у железных руд, где железо делают, домницы". Через два года англичане получили разрешение на поиск руды по р.Вычегде, строительство здесь железного завода и ввоз из Англии квалифицированных рабочих. Но уже в августе 1570 г. царь приказал "то повольство отставить", а в октябре объявил об отмене данных им льгот: "все наши грамоты, которыя есмя давали... по сей день, - не в грамоты".¹

Следующая попытка строительства доменного завода была предпринята через 62 года. Новая попытка строительства в России вододействующей доменной мануфактуры оказалась более удачной, чем предыдущая.

Большинство перечисленных  заводов строились иностранными купцами ("гостями"). Важная роль последних в создании русской доменной мануфактуры была обусловлена рядом объективных причин:

- иностранные купцы  лучше русских были знакомы  с техникой, экономикой и организацией  производства, основанного на использовании  неизвестных в России технологий;

- им легче было подобрать  в Европе мастеров, готовых выехать  для работы в Россию;

• они (по крайней мере, некоторые) обладали средствами, достаточными для реализации даже такого дорогостоящего проекта, как строительство мануфактуры.

Среди иностранных коммерсантов, связанных со становлением российской доменной металлургии, отметим А. Виниуса, Ф. Акему, В. Меллера (все – уроженцы Нидерландов), а также происходивших из Гамбурга Бутенанта и представителей нескольких поколений рода Марселисов. В XVII веке они основывают свыше двух десятков железных заводов под Москвой, Тулой, в Олонецком, Вологодском и других краях.

"Разрешительная" жалованная  грамота на строительство первого  в России доменного вододействующего  завода была дана в феврале  1632 года. Ей начинается новый этап истории черной металлургии России.

Человека, благодаря знаниям, настойчивости и предприимчивости которого первый завод был построен и пущен, человека, ставшего отцом  русской доменной металлургии, звали  Андреем Денисовичем Виниусом.

Жалованную грамоту на строительство на реках Вороне (современная Воронка), Вашане и Скниге "мельнишных железных" заводов, Виниус получил в компании с братом Аврамом и английским купцом Вилькенсоном. Строить их начал, однако, на другой реке, Тулице (вернее - Синей Тулице), в 12 верстах к северо-востоку от Тулы. Работы начались не раньше июня 1632 г., после заключения договоров на аренду земель.

Доменные заводы были вододействующими, сооружение их становилось возможным только при наличии рек, удовлетворявших определенным, довольно жестким требованиям, а именно, обладавших водотоком, достаточно мощным для обеспечения потребности в гидроэнергии, и достаточно управляемым для безопасной эксплуатации водяных двигателей и связанных с ними механизмов. Важную роль играл и рельеф местности: строительство заводов на равнинных участках требовало для устройства прудов-накопителей сооружения длинных плотинных насыпей и отчуждения земельных угодий большой площади.

В 1636 г. заводы дали первую продукцию: 100 пудов прутового и 43,5 пуда дощатого железа (1,64 и 0,71 т соответственно). Не исключено, правда, что это было железо, полученное в сыродутных горнах. Но не позднее следующего, 1637 года, на заводах выплавили и первый в России доменный чугун. Тогда же впервые в России он был использован в качестве литейного сплава, тогда же в ходе кричного передела переработан в железо.

В начальный период своей  истории (до 1648 г.) металлургический комплекс на Тулице включал не менее трех заводов, два из которых были доменными, один (нижний) - передельным. Обслуживали их иностранные мастера, приехавшие по договору с заводчиком из разных стран в Россию с семьями на определенный срок. Упомянем из их числа двоих: "плавильного дела мастера немчина" Крестьяна (Христиана) Вильде, работавшего на заводе в 1647 году - его имя открывает на сегодняшний день список имен доменных мастеров из Европы, трудившихся на металлургических заводах России, и связанного с обслуживанием доменной плавки (ведал составлением шихты и загрузкой ее в печь) мастера Юрия Ведена. Каждый из них обслуживал по две печи.

Основной продукцией заводов в первое десятилетие  их существования были чугун, железо и изделия из них. Чугун, предназначенный  для передела, отливали в чушки, называвшиеся свиньями или штыками, прочий - сразу  использовали в качестве литейного материала. Значительную долю в объеме производства занимали пушки и ядра к ним.